基于“三重表征”思维方式的化学教学实践研究——以高中化学《硫酸、硝酸》教学为例

1基于“三重表征”思维方式的化学教学实践研究以人教版高中化学硫酸、硝酸教学为例调查发现，导致化学学习困难的一个重要原因是化学学科本身的复杂性。化学是一门在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的自然科学。物质的性质体现在宏观变化上，却要用物质的组成、结构等微观理论则来理解，而化学符号则从微观层次上科学、简明地表达了宏观物质及其变化规律，成为联接宏观与微观的中介。这样，在学习者心理上就形成了对物质特有的三种表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。化学学科的特点决定了三种表征应有机结合，因此，从三重表征的角度认识和理解化学就成为统领化学学科教与学的有效方法。 本学期计划在高一新授课中培养学生“三重表征”的思维方式，本文以硫酸和硝酸的性质教学为例，谈如何突破学生的思维困惑。1教学内容分析本节课是人教版高中化学必修 1 第四章第四节的教学内容，紧扣这部分内容的四个特点： 重视知识的构建。浓硫酸、硝酸的主干知识是强氧化性，本节课通过实验来构建这些主干知识。 重视环境教育。由于浓硫酸、硝酸的反应均有污染物产生，因此实验改进的一个重心要减少对环境的污染。 加强思维方法教育。本节要突出运用氧化还原和三重表征来分析物质的性质和反应的特点，从而理解浓硫酸、硝酸的氧化性表现在硫、氮元素价态的变化上。2学生情况分析（1）知识基础：经过第三章金属及其化合物、第四章非金属及其化合物前三节的学习，学生已经储备了不少元素化合物的知识，对于氮和硫的氧化物的污染问题也留有深刻印象。结合初三的知识，学生已经掌握了酸的主要性质（通性），对于金属活动顺序表中氢前金属与盐酸、稀硫酸反应置换出氢气的规律非常熟悉，对氧化还原反应的知识有一定了解。这为研究浓硫酸和硝酸的强氧化性打下坚实的基础。（2）方法基础：学生基本熟悉了实验探究的程序，并在化学实验过程得到多次体验，思考问题的方式也更加贴近科学探究的方式。三重表征的学习离不开实验，化学实验的特点就是通过物质的宏观现象来揭示物质的组成、结构、性质以及化学反应中内在变化的微观本质。但很多学生不能同时在宏观和微观水平上表征化学概念，不能通过观察方程式看到其蕴含的微观本质和相互作用的动态本质。3教学目标分析知识与技能：（1）能运用氧化还原反应原理分析浓硫酸、硝酸的氧化性，准确判断反应中氧化剂、还原剂、氧2化产物、还原产物、氧化反应、还原反应等，能够正确书写相关反应方程式。（2）通过实验认识硝酸的氧化性、浓硫酸的氧化性及其特性；对金属与酸的反应形成全面的认识。（3）进一步运用氧化还原和三重表征，分析物质的性质和反应的特点。通过探究 NO3是否具有氧化性，深化认识氧化还原反应发生的条件。（4）知道浓硫酸“脱水”性的含义。知道铁、铝在冷的浓硫酸、浓硝酸中钝化。过程与方法：（1）通过实验探究体验科学研究的一般过程，逐步掌握三重表征思维方式，进一步养成交流、反思、评价的学习习惯。（2）通过铜与浓硫酸反应、铜与浓硝酸和稀硝酸反应等，学习有序观察实验现象的方法，并体会现象与结论之间的对应关系。情感态度与价值观：（1）设置适宜难度的问题情境，激发学生的探究欲望，获得成功的体验，提高学习化学的兴趣，并体会到学习的过程是渐进的过程。 （2）通过学习硫酸、硝酸在工农业生产中的重要作用，感受化学对社会发展的促进作用，同时体会科学的两面性。（3）运用体验三重表征的思维方式，使其逐步内化为学生的学习方式。4教学重点分析浓硫酸、硝酸的主干知识就是强氧化性，它们能与绝大部分金属反应，也能氧化一些非金属，反应的特点是浓硫酸、硝酸中的硫、氮元素被还原，生成硫的氧化物和氮的氧化物，这是区别于初中知识的最大之处。因此将它确定为教学的重点，通过理论进行构建，再用实验进行验证。5教学难点分析学生虽然已经明确科学探究的一般程序，但面对陌生仪器、具有强腐蚀性的药品的使用和环境污染问题，要考虑的问题还是很多，相当有挑战性。因此，本节课的难点确定为：让学生通过实验探究浓硫酸、硝酸的强氧化性的活动，并运用体验三重表征的思维方式。6教学过程分析 采用“宏观微观符号”三重表征方式设计教学。即先从宏观现象入手提出问题，然后猜想假设，在此基础上进行实验验证，对实验得出的结论再从微观角度分析本质，最后再通过化学用语符号表征结论，并且引导学生应用结论解决社会生活中的问题。环节一：复习酸的组成特点与酸的通性3【问题 1】选择适当的方法和试剂，区分一瓶稀硫酸和一瓶蒸馏水。学生在讨论的过程中应用稀硫酸的性质对两种无色液体进行区别，以此对酸的通性有了深入理解。【追问】用离子方程式表示下图中发生的反应。学生叙述并分析稀硫酸显酸性的原因：H 2SO4=2H SO 24【问题 2】分别在盛有浓、稀硫酸的试管中加入 BaCl2 溶液，观察现象：稀硫酸中有沉淀生成，浓硫酸中没有沉淀生成，为什么？（浓硫酸中不存在 SO ）4环节二：理论分析与实验验证相结合，感受浓硫酸的氧化性【提问过渡】 从氧化还原的角度对盐酸、稀硫酸、浓硫酸、硝酸进行分类，并预测它们的性质。学生回答：因为浓硫酸、硝酸不能用于制氢气，所以预测他们的氧化性比盐酸和稀硫酸强；从化合价的角度看，盐酸中 Cl 的化合价位 -1 价，是最低价，只能升高，体现还原性。而硝酸中的 N、硫酸中的 S 化合价均处于最高价，只能降低，表现强氧化性。【追问】如果用实验研究浓硫酸和硝酸的强氧化性，让你选择一种药品，你会选哪类物质？学生回答：既然是验证强氧化性，我们可以选弱一些的还原剂，如不活泼的金属铜。【引导】讨论：1.实验方案，2.预测实验现象，3.如何证明反应发生，如何检验产物？学生回答，需做 3 组实验，实验方案：铜与浓硫酸，铜与浓硝酸，铜与稀硝酸。【演示实验 1】教材实验 49：浓硫酸与铜反应4【实验过程中观察指导】请仔细观察老师做了哪些操作？每一各操作后有什么现象？能够得出什么结论？填写下表：（强调看到什么写什么，没有标准答案） 实验操作 现象 结论盖上胶塞，使铜丝与浓硫酸接触，同时导管插入装有品红溶液的试管中。没有明显现象 常温下，铜与浓硫酸不反应加热浓硫酸。 溶液颜色慢慢变深，同时品红溶液褪色加热条件下铜与浓硫酸反应，生成了SO2。抽出铜丝，使铜丝与浓硫酸脱离。 反应停止将导管移出装有品红溶液的试管。停止加热。 试管底部有白色固体物质 可能是硫酸铜固体将反应后试管中的液体慢慢倒入盛有少量水的另一支试管中。溶液变蓝色 原深色溶液是硫酸铜的浓溶液【讲解】同学们结合实验现象写出反应的方程式。Cu + 2H 2SO4（浓） CuSO4+ SO2+ 2H 2O【追问】运用氧化还原知识分析反应中氧化剂和还原剂物质的量比、转移电子数。学生回答，该反应中 Cu 做还原剂，浓 H2SO4 做氧化剂，物质的量比为 1：1，转移电子数为 2e。【问题 3】浓硫酸和稀硫酸化学性质差别很大的原因是什么？（存在微粒不一样，稀硫酸中是 H和 SO ，其中+6 价 S 性质稳定；浓硫酸中主要是 H2SO4 分子，其中+6 价 S 表现出强氧化性）24环节三：知识迁移，学习硝酸的氧化性【演示实验 2】请同学们观察实验现象，并根据现象推断是什么产物，HNO 3 表现什么性质。学生可以观察到：放入蒸馏水中的铜片表面无任何现象，铜片与浓硝酸接触后，立刻有大量红棕色气体产生、溶液呈现蓝绿色，当这种红棕色气体充满整个实验装置后，蒸馏水中的铜片表面开1.选取两支不同规格干净的试管，向 a 试管中滴加适量浓硝酸，b 试管中滴加适量蒸馏水，然后将已用铜丝固定的铜片深入 b 试管。2.将固定有铜片的粗铜丝深入 a 管中，使其先不与浓硝酸接触。用脱脂棉封住 b 试管管口，并滴加适量氢氧化钠溶液和一滴酚酞在脱脂棉上，然后调节铜丝，使铜片与浓硝酸接触，待 b 管中铜片表面有大量气泡产生时，再次调节铜丝使铜片与浓硝酸分离。5始产生气泡，溶液逐渐变为浅蓝色，整个装置内深红棕色变的很浅，而蒸馏水液面上方为无色，红色的脱脂棉颜色也变浅。【追问】请同学们结合实验现象试着把方程式写出来，运用氧化还原知识分析反应中氧化剂和还原剂物质的量比、转移电子数。Cu + 4HNO 3（浓） Cu(NO3)2 + 2NO2+ 2H2O学生回答，该反应中 Cu 做还原剂，浓 HNO3 做氧化剂，物质的量比为 1：2，转移电子数为 2e。 【讲解】 N 元素是一种能表现多种化合价的元素，通过前面的学习，我们知道，NH 3（N 为3价）可以被氧化成多种价态：4 3 2 1 0 3NO2 HNO2 NO N2O N2 NH3当硝酸与金属或非金属反应时，反应物反应条件不同，硝酸被还原得到的产物也不同。如 Cu 与稀硝酸反应，硝酸被还原成2 的 NO。【追问】请同学们试着把方程式写出来，并运用氧化还原知识分析反应中氧化剂和还原剂物质的量比、转移电子数。3Cu + 8HNO3（稀） 3Cu(NO3)2 + 2NO+ 4H2O学生回答，该反应中 Cu 做还原剂，稀 HNO3 做氧化剂，物质的量比为 3：2，转移电子数为 6e。【演示实验 3】向盛有硝酸钠溶液的试管中加入铜片，无明显现象，但加入稀硫酸后管口产生红棕色气体，为什么？学生回答，溶液中存在 NO3，它遇到 H 后，会继续和铜反应，当然此时 H 与 NO3的浓度较小，产物是 NO。NO 3在酸性溶液中有强氧化性。【演示实验 4】1.铝与浓硝酸（试管实验）2.锌与浓硝酸（装置见右图） 学生观察回答：1.无明显现象 2.迅速产生大量红棕色气体。【追问】铝比锌活泼，为什么锌与浓硝酸迅速反应而铝没有？【讲解】很明显，锌能与浓硝酸反应。 但从金属活动顺序表中看，铝更活泼，更应该能被浓硝酸氧化。原因是常温下，铁、铝能被浓硝酸、浓硫酸钝化，即在表面生成致密的氧化膜，阻止反应继续进行。所以可以用铁罐车、铝罐车运输这两种浓酸。环节四：知识应用，浓硫酸与蔗糖反应【讲解】我们已经知道浓硫酸具有强氧化性，初中还学习过它的吸水性和脱水性。由于浓硫酸有吸水性，常常做干燥剂；它的脱水性能够使木棒、纸张等有机物变黑，其本质是使有机物中与 C元素结合的 H、O 元素脱去，留下 C。6【过渡】刚才我们是用一种金属作为还原剂研究浓硫酸、硝酸的氧化性，下面我们看看其它的还原剂与它们反应的情况。【演示实验 5】向蔗糖中加入浓硫酸。（可先在蔗糖中加少量水，再加浓硫酸）【问题 4】你观察到了什么现象？如何解释这些现象？写出有关的化学方程式。C+ 2H2SO4（浓）CO2+ 2SO 2+ 2H 2O学生回答：生成黑色疏松多孔的物质还有大量气体，可能是碳，碳与浓硫酸反应生成的气体。浓硫酸使蔗糖脱水生成的碳。在受热的条件下反应生成的 CO2 和 SO2。热量来源于浓硫酸遇水放出的热。体现了浓硫酸的脱水性及强氧化性。【追问】运用氧化还原知识分析反应中氧化剂和还原剂物质的量比、转移电子数。学生回答，该反应中 C 做还原剂，浓 H2SO4 做氧化剂，物质的量比为 1：2，转移电子数为 4e。【小结】通过今天的学习，请谈谈你对氧化剂和还原剂的新认识？学生回答，化合价只能帮助我们预测物质的氧化还原性，还可能与溶液的浓度和酸度有关系。参考资料：广州市高中必修模块化学学科学业质量评价标准（1302 必修 1 第四章修改）第四章 第四节 之硫酸和硝酸的氧化性 教学设计 李南萍 2012 学年高一化学教学